Odkrycie czwartego wymiaru zszokowało naukowców

Na podstawie nowych, zadziwiających wyników badań naukowcy twierdzą, że oficjalnie zaobserwowali czwarty wymiar przestrzenny.

Badacze z Europy i Stanów Zjednoczonych wierzą, że zaobserwowali jeszcze jeden wymiar, poza znanymi wszystkim trzema na osi przestrzennej, jednak ten czwarty dla zwykłego laika może okazać się ciężki do zrozumienia.

Wszystko opiera się o tzw. Efekt Halla, gdzie elektron ograniczony jest do dwóch wymiarów, a następnie przy użyciu silnych pól magnetycznych w niskiej temperaturze wywołuje się ruch elektronów po ustalonej wcześniej ścieżce topologicznej. Prąd płynie wtedy po samych obrzeżach materiału.

Naukowcy nie zaprezentowali jeszcze żadnych użytecznych zastosowań tego odkrycia, lecz i tak jest to przełom otwierający nowe kierunki i możliwości badań oraz zmienia sposób rozumienia samego ruchu. Z pewnością również zaowocuje lepszym wglądem w zagadnienia dotyczące wymiarów i teorii strun.

Poniżej znajduje się oświadczenie Politechniki Federalnej (ETH) w Zurychu:

Odkąd Albert Einstein opracował szczególną teorię względności w 1905 r. w Zurychu, za czwarty wymiar uznawano czas. Lecz jak zobrazować czwarty wymiar przestrzenny – w połączeniu z osiami góra-dół, prawo-lewo, przód-tył? Salvador Dali próbował tego w swojej sztuce: scena ukrzyżowania z 1954 r. ukazuje krzyż złożony z trójwymiarowego kształtu hipersześcianu w czterech wymiarach (podobnie jak sześcian rozłożony na kwadraty). Zupełnie inne, lecz nie mniej fascynujące spojrzenie na czwarty wymiar został właśnie uzyskany, dzięki dwóm zespołom naukowców ze Szwajcarii, Stanów Zjednoczonych, Niemiec, Włoch i Izraela. Badacz ETH, Oded Zilberberg, profesor Instytutu Fizyki Teoretycznej, odegrał kluczową rolę w obu publikacjach, które ukazały się ostatnio na łamach magazynu naukowego „Nature”. Dostarczył on podstawy teoretyczne dla eksperymentów, w których czterowymiarowy fenomen fizyczny mógł być obserwowany w dwóch wymiarach.

Kwantowe Zjawisko Halla

Oba eksperymenty bazowały na tzw. kwantowym efekcie Halla. Zazwyczaj, taki efekt objawia się na płaszczyźnie granicznej pomiędzy dwoma materiałami, po której elektron może poruszać się tylko w dwóch wymiarach. Pole magnetyczne prostopadłe do materiału początkowo prowadzi do efektu Halla: prąd płynący przez materiał podnosi napięcie w kierunku prostopadłym – im większe pole magnetyczne, tym większe napięcie. Dzieje się tak, ponieważ pole magnetyczne generuje siłę działającą w kierunkach odpowiadających kierunkowi ruchu (siła Lorentza), odpychając elektrony. Jednak przy bardzo niskich temperaturach i bardzo dużych polach magnetycznych mechanika kwantowa zaczyna mieć znaczenie, co oznacza, że napięcie nie zwiększa się już ciągle, lecz raczej dyskretnie zwiększa się skokowo. Trzy nagrody Nobla z fizyki zostały do tej pory przyznane za eksperymentalną i teoretyczną pracę na kwantowym efektem Halla.

Kwestia topologii

Kwantowy efekt Halla może być również rozumiany, jako fenomen topologiczny. Topologia opisuje – dla przykładu – ile „otworów” posiada obiekt i w jakie inne formy może zostać ukształtowany, bez potrzeby jego dzielenia. Podobne prawa są odpowiedzialne za ruch elektronów po zdefiniowanych topologicznie ścieżkach, przy użyciu kwantowego efektu Halla. Na przykład, przy konkretnych wielkościach pola magnetycznego, prąd elektryczny może płynąć jedynie wzdłuż brzegów materiału, ale nie w jego wnętrzu. Około dwudziestu lat temu wykazano matematycznie, że analogiczny efekt topologiczny powinien występować również w czterech wymiarach przestrzennych. „Jednak wtedy, było to trochę jak science fiction”, mówi Oded Zilberberg, „ponieważ obserwowanie czegoś takiego podczas eksperymentu wydawało się niemożliwe – w końcu przestrzeń fizyczna ma tylko trzy wymiary”.

Wirtualne wymiary a pompowanie topologiczne

Zilberberg wpadł jednak na sprytny pomysł: używając tzw. pomp topologicznych, powinno być możliwe dodanie wirtualnego wymiaru do dwóch faktycznych wymiarów obecnych przy kwantowym efekcie Halla. Pompowanie topologiczne odbywa się, poprzez modulację specyficznego parametru kontrolnego fizycznego systemu, który jest odpowiedzialny za zmianę stanu kwantowego w charakterystyczny sposób na przestrzeni czasu. Końcowy wynik wygląda wtedy tak, jakby system poruszał się w dodatkowym wymiarze przestrzennym. W ten sposób można teoretycznie zmienić dwuwymiarowy system w czterowymiarowy.

Optyczny obraz czwartego wymiaru

To, że może to również zadziałać w praktyce, zostało właśnie osiągnięte w dwóch niezależnych od siebie eksperymentach. Grupa fizyków pod wodzą Mikaela Rechtsmana z Uniwersytetu Penn State oraz zespół Kevina Chena z Uniwersytetu w Pittsburghu zrealizowali pomysł Odeda Zilberberga poprzez wtopienie dwuwymiarowego szeregu falowodów w piętnastocentymetrowy szklany blok za pomocą wiązek laserowych. Falowody nie były jednak proste, lecz raczej wiły się w szkle jak wąż, dzięki czemu odstępy między poszczególnymi odcinkami wzdłuż bloku były nieregularne. W zależności od odległości, fale świetlne poruszające się w falowodach mogły łatwiej przeskakiwać na sąsiedni falowód.

Różne łącza pomiędzy falowodami działały, jako pompy topologiczne, podwajając tym samym ilość wymiarów eksperymentu z dwóch do czterech. Badacze mogli teraz dosłownie „zobaczyć” oczekiwany czterowymiarowy kwantowy efekt Halla, poprzez wpuszczanie światła do falowodów z jednego końca szklanego bloku, i rejestrowanie kamerą tego, co wyszło z drugiego końca. W ten sposób charakterystyczne stany krawędzi czterowymiarowego kwantowego efektu Halla, w których światło powinno wydobywać się tylko z falowodów na krawędzi siatki optycznej, staje się bezpośrednio widzialne.

Czterowymiarowy transport kwantowy zimnych atomów

Używając ekstremalnie zimnych atomów uwięzionych w siatkach optycznych tworzonych przez skrzyżowane wiązki laserowe, Immanuel Bloch i jego współpracownicy z Instytutu Optyki Kwantowej Max-Planck w Monachium także stworzyli pompy topologiczne. W ich eksperymencie pompowanie uzyskano poprzez cykliczną zmianę właściwości podzielonych studni siatki, w których uwięzione były atomy. Mierząc następnie dwuwymiarowy ruch atomów w siatce, badacze mogli potwierdzić zachowanie atomów zgodnie z topologią czterowymiarowego kwantowego efektu Halla. W szczególności mogli bezpośrednio zaobserwować skwantowane zjawiska transportu przewidywane w takim wypadku.

Postęp w fundamentalnych badaniach

Jakie są więc praktyczne zastosowania tego odkrycia? „W tej chwili prowadzone eksperymenty wciąż są dalekie od jakichkolwiek użytecznych zastosowań”, przyznaje Zilberberg. Jednak dla dalszych zasadniczych badań ma ono ogromne znaczenie. Fizycy mogą teraz nie tylko na papierze, ale również doświadczalnie analizować efekty, jakie fenomen, występujący w czterech (lub nawet więcej) wymiarach może mieć w zwykłym, trójwymiarowym świecie. Kwazikryształy w metalicznych stopach to jeden z przykładów. W trzech wymiarach przestrzennych takie kwazikryształy nie posiadają żadnej struktury okresowej, lecz oglądając je w wirtualnych wymiarach, przejawiają one regularne wzorce. I w końcu jest jeszcze teoria strun, według której wyższe wymiary przestrzenne są „skompaktyfikowane” do rozmiarów niedostępnych codziennemu doświadczeniu i jedynie normalny, trójwymiarowy świat może być obserwowany i doświadczany.